[发明专利]一种聚变堆固态锂铅包层

说明书

本发明公开了一种聚变堆固态锂铅包层，采用一种新材料固态锂铅合金作为中子倍增剂和氚增殖剂，并以一元或二元球床形式置于由结构材料构成的结构骨架内，锂铅与聚变中子作用产生的核热沉积依靠结构内部流动的冷却剂，如水、氦气或超临界CO₂等工质移出发电。所述固态锂铅合金的铅原子所占份额较低，在包层正常运行和事故工况下，锂铅始终处于固态不熔化，可通过气体吹扫球床将氚带出堆外实现氚自持。本发明的包层不需要铍也可满足氚增殖要求，并且自然界的锂铅资源丰富，成本低，可降低包层研发成本，提高聚变堆依靠固态增殖包层发电的经济性。

技术领域

本发明属于聚变堆包层领域，具体涉及一种聚变堆固态锂铅包层。

背景技术

包层是聚变堆的核心部件，运行在高温高压、高热负荷及强中子辐照的苛刻服役环境下，主要功能是增殖氚维持聚变反应、将聚变能转换为热能发电以及屏蔽中子防止污染环境。根据功能材料(中子倍增剂和氚增殖剂)的形态，可将其分为液态增殖包层和固态增殖包层。液态增殖剂包层多采用流动的锂铅合金作为中子倍增剂和氚增殖剂，具有结构简单、可实现在线提氚及发电效率高等众多优势，但存在明显的磁流体效应(MHD)，导电流体在磁场中切割磁场会使压降明显增大，从而降低发电效率。此外，高温锂铅对结构材料具有腐蚀性，难以长期运行。为此，国内外部分聚变机构将固态增殖剂包层作为主要研究方向，如德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)、日本量子科学技术研究所(QST)、中核西南物理研究院(SWIP)和中科院等离子体物理研究所(ASIPP)，固态增殖剂包层多采用含锂元素的陶瓷材料作为氚增殖剂(比如：Li₄SiO₄或Li₂TiO₃)，含铍元素的合金作为中子倍增剂(比如：Be单质或Be₁₂Ti)，具有结构与材料相容性好、不存在MHD效应以及发电技术成熟等优势。

然而，当前固态增殖剂包层发展遇到“瓶颈”，在于其采用铍作为中子倍增剂，由于自然界铍资源有限，价格昂贵，使其在经济性方面不具备竞争优势。为此，国外聚变机构开始研究如何减少铍的用量或者寻找可用在固态增殖剂包层中新的中子增殖剂。英国谢菲尔德大学(TUoS)针对中子倍增剂和氚增殖剂均匀混合的固态氚增殖包层设计，将中子倍增剂的体积份额沿包层径向线性增加或线性减少，据此适应中子学特性沿包层径向的变化，包括中子通量、能量、以及中子与材料的反应截面，包层产氚性能未受到影响，但铍用量只减少10％，难以满足聚变堆包层经济性要求。在新材料方面，目前研究表明聚变领域可用于倍增中子的元素有铍和铅，但铅单质的熔点低，在固态增殖剂包层中受到高能中子的核热沉积作用，易熔化处于液态。液态铅会通过结构部件之间的缝隙渗入冷却剂流道，堵塞流道并阻碍冷却剂流动，使冷却能力丧失，造成局部材料温度和驱动功率负荷超标，严重影响聚变堆包层的热工安全性能和热电转换效率。因此，该设计对结构部件的密封性要求高，但会增加工业设备的制造成本，降低聚变堆经济性。为此，德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)将镧系元素与铅合成化合物，以此提高中子倍增剂的熔点。与铍比较起来，镧系元素的价格较低，但其属于稀土元素，资源仍有限，由于未来聚变堆的材料用量大，使用该材料作为中子倍增剂的成本仍较高。此外，在中子倍增剂中引入镧系元素，会增加对中子的吸收量，从而降低包层的产氚性能。因此，为满足中子学要求，需要增加中子倍增剂材料的用量，会使包层体积增大，从而进一步提高建设成本，降低聚变堆经济性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种聚变堆固态锂铅包层，其为一种聚变堆固态锂铅产氚包层，采用固态锂铅作为中子倍增剂，价格低廉，并且可满足聚变堆产氚要求，以解决现有固态增殖剂包层采用铍作为中子倍增剂面临成本高，经济性低的问题，该包层有望作为主流的固态增殖剂包层，贡献未来聚变堆包层概念和工程设计。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：